微生物燃料电池高效电极与界面设计强化产电特性研究

发布时间：2018-02-28 21:08

  本文关键词： 微生物燃料电池 氧还原反应 三相界面 催化剂 粘结剂 三维电极　出处：《哈尔滨工业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：能源短缺与环境污染问题日趋严重,微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)能够利用微生物催化降解有机物产生电能,实现污水处理并同步产电,为水污染问题和能源危机问题的解决提供了新的思路。然而,微生物燃料电池较低的输出功率密度限制了其实际应用。在微生物燃料电池阴极,氧气由于具有方便易得和绿色无污染的特点,是理想的阴极电子受体。但是在氧还原过程中,其还原反应速率低,因此需要高效的催化剂来提高反应速率和阴极性能。此外,微生物燃料电池阳极上的电子转移速率以及微生物吸附量对电池的功率密度输出具有重要的影响,因此,提高阳极性能有利于促进MFC功率密度的输出。针对微生物燃料电池目前存在的一些主要问题,本论文从电极材料和界面出发,以廉价的不锈钢网为空气阴极的电子集流体,开发高效廉价的复合纳米催化剂和三维氧还原催化剂,通过优化粘结剂和改进空气阴极结构对空气三相界面进行调控,提高阴极性能;构建三维赝电容性阳极,增加阳极生物附着量,并提高电子转移效率,进而提高微生物燃料电池的功率密度和产电性能。论文取得的研究成果概括如下:本论文首先在阴极三相界面催化剂研究中,合成了廉价高效的Ag-WC/C氧还原催化剂,基于Ag和WC之间的协同作用,Ag-WC/C能够产生与Pt/C催化剂相当的ORR活性和稳定性,其催化ORR为间接4电子途径。在MFC中,Ag-WC/C能够产生与Pt/C非常接近的最大功率密度,说明该复合纳米催化剂能够取代传统Pt/C用于MFC产电。在此基础上,以金属有机框架为前驱物,通过热解的方法得到了三维多孔的Co NC催化剂。实验结果分析表明,Co NC的电催化活性受到热解温度、比表面积、掺氮量以及氮元素形态的影响。Co NC具有大的比表面积和微孔面积,有利于增加三相界面有效催化位点的数量,加速质子和氧在其表面的传递。研究发现,吡啶N和石墨化N能够增加催化剂活性位点(Co-Nx)数量并增强催化剂的导电性。热解温度900°C制得的Co NC催化剂应用于单室MFC中,电池最大输出功率密度为1665 m W/m2,较使用Pt/C催化剂的MFC提高了39.8%,且三维多孔催化剂Co NC具有更好的电化学稳定性。其次,在MFC三相界面调控研究中,以廉价不锈钢网取代了传统碳布为空气阴极的电子集流体,制作单位面积的不锈钢网阴极的总造价仅为碳布阴极总造价的61%。气体扩散电极的导电性、气体扩散性能以及电催化氧还原的特性与聚四氟乙烯(PTFE)的百分含量有关,研究结果表明最优PTFE质量分数为20%。不锈钢网阴极MFC具有与碳布阴极MFC相当的最大功率密度,化学需氧量(COD)去除率和库仑效率。因此使用不锈钢网作为电子集流体能够在保证MFC性能的前提下明显降低阴极造价。然后,以乙二胺四乙酸(EDTA)替代Nafion试剂作为粘结剂,构建空气阴极,电化学测试结果表明,EDTA粘结剂能够增强界面质子传导作用,降低电荷转移阻力和传质阻力,其构建的空气阴极具有更好的稳定性能。EDTA与Nafion试剂分别构建的空气阴极应用于MFC中,实验结果得出,使用EDTA作为粘结剂,构建的空气阴极较Nafion试剂构建的空气阴极,电池的最大输出功率密度提高了42%。在此基础上,通过在不锈钢网基体上直接生长Co_3O_4颗粒,构建了新型的一体三维空气阴极,避免粘结剂的使用。电化学测试结果表明,SSM/Co_3O_4气体扩散电极具有与Pt/C催化剂相当的ORR活性和更好的稳定性。同时,研究发现,在Co_3O_4催化剂表面,氧主要通过4电子还原途径还原,产物为水。在MFC中,SSM/Co_3O_4气体扩散电极具有较高的ORR活性,电池具有与贵金属Pt/C电极MFC相当的最大功率密度,为17.8 W/m3;MFC周期运行45天,电池的最大输出电压仅降低1.6%,表明SSM/Co_3O_4气体扩散电极具有良好的稳定性。同时,在阴极界面研究的基础上,构建了三维电容性Mn O_2/碳纸阳极(CPMn O_2),其三维结构和赝电容特性可有效缩短电池的启动时间,并提高MFC的阳极性能和产电能力。随着碳纸阳极上Mn O_2生长时间的增加,Mn O_2的电容也相应增加,MFC的输出功率密度随着CP-Mn O_2的电容的逐渐增加而增加。24 h生长时间的CP-Mn O_2阳极MFC具有最大的功率密度输出(603.7 m W/m2),是CP阳极MFC(67.2 m W/m2)的8.98倍。测试分析表明,Mn O_2/碳纸阳极性能的提高主要原因有:一方面,三维结构增大了其比表面积,利于生物附着,增加了阳极产电微生物的生物量;另一方面,Mn O_2具有赝电容特性,通过Mn3+与Mn4+的氧化还原反应过程促进了阳极电子转移效率,提高了阳极性能,进而增强MFC的产电能力。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.45

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